1 引言 為了滿足大批量生產(chǎn)硬幣的的要求，工廠需要相應(yīng)的HC30型沖孔設(shè)備，對(duì)光邊坯餅沖孔。電氣控制系統(tǒng)的方案為:采用PLC進(jìn)行邏輯控制，用矢量變頻器調(diào)速，在觸摸屏上開發(fā)全機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。為了滿足機(jī)床結(jié)構(gòu)、降低嘈音及提高操作安全系數(shù)的要求，用電氣復(fù)合制動(dòng)的方式代替機(jī)械抱閘，對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的電機(jī)進(jìn)行快速制動(dòng)。 該機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面: （1） PLC構(gòu)成的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì); （2） 調(diào)速控制的實(shí)現(xiàn); （3） 對(duì)主機(jī)采用電氣復(fù)合制動(dòng)的方式; （4） 潤(rùn)滑油溫的檢測(cè)及控制的實(shí)現(xiàn); （5） 程序難點(diǎn)的設(shè)計(jì); （6） 觸摸屏上開發(fā)的全機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 具體內(nèi)容將在后面的篇幅中介紹。 2 控制內(nèi)容和要求 （1） 運(yùn)行方式 該機(jī)床有三種運(yùn)行方式:點(diǎn)動(dòng)、單印、連印。 ·點(diǎn)動(dòng):主要用于機(jī)床狀態(tài)的調(diào)整，點(diǎn)動(dòng)速度為75枚/分鐘; ·單印:在加壓的狀態(tài)下，只沖一枚坯餅，單印速度為380枚/分鐘; ·連印:在無故障及加壓的狀態(tài)下，連續(xù)沖坯餅，連印速度為380轉(zhuǎn)/分-700枚/分鐘，無級(jí)調(diào)速。三種運(yùn)行方式根據(jù)選擇的方式進(jìn)行切換。 （2） 觸摸屏實(shí)時(shí)監(jiān)控的內(nèi)容 內(nèi)容主要包括:主電機(jī)轉(zhuǎn)速、曲軸角度、實(shí)時(shí)故障報(bào)警、歷史故障報(bào)警、油路及油溫的監(jiān)控情況等。 （3） 故障檢測(cè)與報(bào)警 嚴(yán)重故障內(nèi)容主要包括:主驅(qū)動(dòng)器故障、超載離合器過載、模圈過載、頂出器過載、無餅故障、花餅故障、油溫過高、工作臺(tái)不到位、凸輪蝸桿箱不到位、油壓過低等。上述故障發(fā)生后，系統(tǒng)自動(dòng)停止沖孔，主軸停機(jī)位置定位于±40°的范圍，以免引起系統(tǒng)悶車。 （4） 通訊功能 利用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式，實(shí)現(xiàn)S7-300 PLC與主驅(qū)動(dòng)器和觸摸屏監(jiān)控通訊;利用MPI口可以實(shí)現(xiàn)S7-300 PLC與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通訊，利用CP340模塊RS232可以實(shí)現(xiàn)S7-300 PLC與測(cè)壓儀表通訊，以此來監(jiān)控高速壓印機(jī)壓力情況。 （5） 電氣復(fù)合制動(dòng)方式的應(yīng)用 在提高了生產(chǎn)效率的同時(shí)，還要重視對(duì)操作人員的安全保護(hù)。電氣復(fù)合制動(dòng)方式的應(yīng)用，既可以降低機(jī)械抱閘在制動(dòng)時(shí)發(fā)出的刺耳的噪音，又可以滿足機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊的特殊要求。復(fù)合制動(dòng)是將能耗制動(dòng)的停機(jī)方式同直流制動(dòng)的方式相結(jié)合的制動(dòng)方式，能夠?qū)崿F(xiàn)快速停機(jī)。 （6） 系統(tǒng)的開放性 西門子系統(tǒng)具有很好的開放性，因此，在設(shè)備控制層只要符合西門子Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議就可以聯(lián)接在該系統(tǒng)上。為了提高管理效率，工廠需要進(jìn)行ERP管理。觸摸屏自身集成了以太網(wǎng)口，通過以太網(wǎng)口，系統(tǒng)可以方便地進(jìn)行監(jiān)控和管理，接入ERP等即可以進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。 3 系統(tǒng)的硬件配置及實(shí)現(xiàn)方法 3.1 PLC控制部分 為了提高控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性，系統(tǒng)采用PLC控制器?？刂破鳛镾IEMENS公司的S7-300系列可編程序控制器，中央處理單元為西門子CPU315-2DP ，該系統(tǒng)可靠性高、速度快。CPU315-2DP自身集成1個(gè)Profibus-DP接口和1個(gè)組合的DP/MPI接口， 2個(gè)接口均可以組態(tài)為Profibus主站或從站。由于采用了觸摸屏，PLC的輸入點(diǎn)減少了很多。PLC控制部分有開關(guān)量輸入點(diǎn)48點(diǎn)，輸出點(diǎn)23點(diǎn), 輸入/輸出共71點(diǎn);模擬量輸入點(diǎn)1點(diǎn)，高速電子凸輪控制器1塊。系統(tǒng)的硬件配置材料表如附表所示。 PLC配置圖如圖1所示。對(duì)西門子S7-300 PLC配置需要注意以下幾個(gè)問題: （1） 能夠插入的模塊數(shù)（SM、FM、CP）受它們從S7-300 PLC背板總線取得電流數(shù)值的限制，對(duì)于本系統(tǒng)CPU315-2DP,裝在一個(gè)機(jī)架上8個(gè)模塊從S7-300 PLC背板總線取得電流數(shù)值不要超過1.2A; （2） S7-300 PLC模塊的排列次序?yàn)镾M/FM/CP。 3.2 調(diào)速控制 主驅(qū)動(dòng)采用SIEMENS公司矢量型MASTERDRIVE PLUS系列變頻器調(diào)速方式。MASTERDRIVE PLUS驅(qū)動(dòng)器，具有體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快和全集成等特點(diǎn)。通過自身集成Profibus-DP通訊裝置，使驅(qū)動(dòng)器和主控系統(tǒng)PLC很容易進(jìn)行聯(lián)接。利用開放型Profibus總線實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器進(jìn)行自動(dòng)化控制。通過加或減PLC可逆計(jì)數(shù)器CNTR里的BCD碼數(shù)據(jù),再將可逆計(jì)數(shù)器CNTR里的BCD碼數(shù)據(jù)，送到PLC與變頻器聯(lián)接通道,作為交流變頻器的給定,來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。按工藝技術(shù)要求壓印速度做到手動(dòng)和自動(dòng)升速、速度鎖定、速度預(yù)置等各種控制功能有機(jī)結(jié)合。該系統(tǒng)點(diǎn)動(dòng)速度為75枚/分鐘;單印速度設(shè)計(jì)為380枚/分鐘;正常壓印生產(chǎn)速度為380-700枚/分鐘，無級(jí)調(diào)速。對(duì)輸餅器的速度要求能動(dòng)態(tài)跟蹤主軸的速度，即主軸的速度提高或降低，輸餅器的速度也隨之提高或降低，以此來滿足不同幣種的工藝要求。 3.3 對(duì)主機(jī)制動(dòng)采用的電氣復(fù)合制動(dòng)方式 所謂復(fù)合制動(dòng)是將動(dòng)能制動(dòng)的停機(jī)方式同直流制動(dòng)的方式相結(jié)合。直流制動(dòng)是在電機(jī)定子中通入直流電流，以產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩制動(dòng)。直流制動(dòng)的物理過程為:通入直流電時(shí)，定子磁場(chǎng)從旋轉(zhuǎn)狀態(tài)變?yōu)槲恢霉潭ㄇ掖笮〔蛔兊暮愣ù艌?chǎng)，由于機(jī)械慣性的影響，轉(zhuǎn)子仍以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割恒定磁場(chǎng)。由于切割方向與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反，所以產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)和感應(yīng)電流的方向，也與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反，致使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩反向，變?yōu)槟鏁r(shí)針方向。轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)速n方向相反為制動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)在其轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的共同作用下很快降速。當(dāng)轉(zhuǎn)速等于零時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體不再切割磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)和感應(yīng)電流減小到零，電動(dòng)機(jī)不再產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而可以控制生產(chǎn)機(jī)械快速停機(jī)。因?yàn)殡姍C(jī)停機(jī)后會(huì)產(chǎn)生一定的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，所以直流制動(dòng)可在一定程度上替代機(jī)械制動(dòng)。動(dòng)能制動(dòng)能將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)下所回饋的能量消耗在制動(dòng)電阻中，從而達(dá)到快速停機(jī)目的。當(dāng)變頻器帶大慣量負(fù)載快速停機(jī)，或負(fù)載的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，電機(jī)可能處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，回饋的能量將造成變頻器直流母線電壓升高，從而導(dǎo)致變頻器過流跳閘，甚至造成變頻器損壞,所以應(yīng)該安裝制動(dòng)電阻來消耗掉回饋的能量。 HC30型沖孔的技術(shù)要求制動(dòng)時(shí)間5秒左右，所以采用復(fù)合制動(dòng)可以滿足要求。SIEMENS公司矢量型MASTERDRIVE PLUS系列變頻器均內(nèi)置了制動(dòng)控制單元，可直接連接制動(dòng)電阻。MASTERDRIVE PLUS驅(qū)動(dòng)器與制動(dòng)電阻之間接線圖如圖2示。根據(jù)機(jī)械對(duì)正常工作力矩的需要，MASTERDRIVE PLUS系列變頻器選用功率為5.5kW,型號(hào)為6SE7021-4EP60。 根據(jù)矢量變頻器復(fù)合制動(dòng)功能圖（如圖3所示），對(duì)復(fù)合制動(dòng)進(jìn)行分析。利用復(fù)合制動(dòng)功能，即通過在異步電動(dòng)機(jī)繞組中注入直流電流將產(chǎn)生一個(gè)很大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以使系統(tǒng)在很短時(shí)間內(nèi)停機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出緊急停機(jī)信號(hào),直流制動(dòng)被激活，即矢量變頻器參數(shù)P394.B=1和P394.M=1時(shí),開始復(fù)合制動(dòng)，系統(tǒng)按參數(shù)P397設(shè)定的下降時(shí)間減速，減速到頻率P398時(shí)，逆變器脈沖被封鎖，停止復(fù)合制動(dòng)。由于進(jìn)行復(fù)合制動(dòng)在定子中通入的直流電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，為了下次能正常啟動(dòng)電機(jī)，需要去磁，P603.M電機(jī)為去磁時(shí)間范圍，用此參數(shù)設(shè)置脈沖封鎖至脈沖釋放的最少等待時(shí)間，為保險(xiǎn)起見電機(jī)在脈沖釋放時(shí)最少去磁90%。 3.4 油溫的檢測(cè)與控制 機(jī)床的潤(rùn)滑系統(tǒng)是保證機(jī)床正常運(yùn)行的關(guān)鍵一環(huán)，特別是HC30沖環(huán)機(jī)，由于是屬于高速?zèng)_床，沖孔最高速度達(dá)700枚/分鐘，所以機(jī)床對(duì)潤(rùn)滑油的溫升有很嚴(yán)格的要求，以保證潤(rùn)滑油適當(dāng)?shù)恼扯燃傲己玫臐?rùn)滑性。潤(rùn)滑油的溫度升到26℃時(shí)，油冷卻風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行冷卻;如果潤(rùn)滑油的溫度升到46℃，系統(tǒng)就自動(dòng)停止沖孔，主軸停機(jī)位置定位于±40°的范圍。為了方便操作和維護(hù)，測(cè)溫器件選用既有溫度顯示又能輸出4-20mA電流的新型測(cè)溫器件—AT303型一體化溫度變送器。因?yàn)椴捎玫臒犭娮铻闇y(cè)量器件，集成冷端補(bǔ)償，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波、運(yùn)算放大、非線性校正、V/I轉(zhuǎn)換、恒流等電路處理后，轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號(hào)，所以能夠減小信號(hào)失真和干擾。變送器原理圖,如圖4示。 AT303型一體化溫度變送器將潤(rùn)滑油的溫度，以電信號(hào)的形式輸出，輸出信號(hào)到模擬量模塊SM331。SM331測(cè)量精度為12位，2個(gè)輸入通道，既可以把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，也可以電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。通過模擬量模塊SM331將模擬量變換成數(shù)字量，輸入PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最后通過觸摸屏顯示出來。使用國(guó)產(chǎn)AT303型一體化溫度變送器與西門子模擬量模塊SM331時(shí)需要注意匹配的問題，在進(jìn)行硬件組態(tài)時(shí)，選用將 4-20mA電流信號(hào)的方式。實(shí)踐證明該方式是可行，實(shí)際溫度與顯示溫度誤差小于±1℃。顯示部分則采用高亮度輝光顯示，無論是操作人員或者維護(hù)人員，只要到油箱附近，就可以直觀地觀察油的溫度，所以有很好應(yīng)用價(jià)值。AT303型一體化溫度變送器與模擬量模塊SM331接線圖,如圖5所示。 3.5 觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng) 監(jiān)控系統(tǒng)采用SIEMENS公司功能強(qiáng)大的MP 270B多功能觸摸屏，因?yàn)樽陨砑蒔rofibus通訊口，軟件已經(jīng)集成在SIEMENS公司Step軟件包中，所以采用高速Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線與SIEMENS公司PLC通訊，而不需專門驅(qū)動(dòng)程序GSD文件，性能價(jià)格比高。MP 270B是分辨率為640×480象素的10.4英寸觸摸屏，其顯著特點(diǎn)為:操作系統(tǒng)基于Windows CE系統(tǒng)，屬于目前流行的嵌入式系統(tǒng)，此外自身集成以太網(wǎng)口、MPI通訊口、連接鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)等的USB接口等，特別適合與SIEMENS 的PLC進(jìn)行Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線通訊。 4 系統(tǒng)的軟件編程及實(shí)現(xiàn)方法 4.1 程序的設(shè)計(jì)方法 利用西門子Step7軟件對(duì)系統(tǒng)的軟件編程。首先用Step7軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件組態(tài)，如圖6所示，然后再用Step7軟件編程，允許結(jié)構(gòu)化的程序，也就是說可以將程序分解為單個(gè)的、自成體系的程序。本機(jī)把控制系統(tǒng)分解成3個(gè)部分，即3個(gè)控制功能塊FC，最后通過系統(tǒng)組織塊OB1，調(diào)用3個(gè)控制功能塊FC（用CALL指令調(diào)用）。FC1主要控制主機(jī)速度;FC2主要對(duì)壓印控制，并根據(jù)故障進(jìn)行準(zhǔn)確控制停機(jī)位置;FC3主要功能是輔助操作，如對(duì)輸餅器、頂出器、凸輪蝸桿箱等的操作。采用這樣的結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn):大規(guī)模程序容易理解，可以對(duì)單個(gè)程序進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，程序組織簡(jiǎn)化，其中最大優(yōu)點(diǎn)是有利于整套控制系統(tǒng)的調(diào)試、維護(hù)。 4.2 程序控制的難點(diǎn) （1） 主軸準(zhǔn)確停機(jī)的控制 在機(jī)床在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)侯，控制系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)指令，系統(tǒng)自動(dòng)停止沖孔，主軸停機(jī)位置定位于±40°的范圍，以免引起系統(tǒng)悶車。方法為把旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)到的定位信號(hào)輸入到高速計(jì)數(shù)器FM350-2，測(cè)量出主軸角度，再把角度信號(hào)送到PLC數(shù)據(jù)區(qū)。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)指令后，PLC根據(jù)相應(yīng)主機(jī)速度值n和相對(duì)應(yīng)的角度α進(jìn)行停機(jī)控制。先要進(jìn)行空載調(diào)試，啟動(dòng)主軸壓印，然后停止主軸壓印，根據(jù)停的位置在標(biāo)準(zhǔn)位置的前后的距離來調(diào)整提前量角度，使電機(jī)停在較為理想的位置;然后電機(jī)帶負(fù)載，逐漸地提高速度，重復(fù)前面的步驟，通過多次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。根據(jù)控制量主軸速度的變化,把停機(jī)角度制成表,將其存于PLC數(shù)據(jù)區(qū)中。程序的控制算法可寫成 if n≥A（i） and 　n＜B（i）　 thenα＝C（i） （i =1,2,3,…） 根據(jù)采樣得到主軸的速度，如果停機(jī)，主軸都會(huì)停在令人滿意的位置上。本系統(tǒng)為了準(zhǔn)確控制停機(jī)，對(duì)主機(jī)速度進(jìn)行分段控制，速度每提高20r/min為一個(gè)區(qū)間。 （2） 復(fù)合制動(dòng)的程序控制 當(dāng)機(jī)床在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)侯，控制系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)指令后，系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合制動(dòng)。在復(fù)合制動(dòng)時(shí)電機(jī)的動(dòng)能變成熱能，如果這種狀態(tài)持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過熱，損壞電機(jī)，所以對(duì)制動(dòng)時(shí)間參數(shù)P397快速、準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)控制顯得非常重要。根據(jù)主機(jī)速度不同，復(fù)合制動(dòng)時(shí)間可作相應(yīng)調(diào)整，建立主機(jī)速度值n和相對(duì)應(yīng)時(shí)間t的制動(dòng)控制，控制算法可寫成 if n≥E（j） and n＜F（j） then t＝G（j） （j =1,2,3,…） PLC和驅(qū)動(dòng)器采用Profibus總線通信控制方式，快速、準(zhǔn)確控制P394、P395、P396、P397等參數(shù)，設(shè)置通訊傳輸速率1.5Mbps，對(duì)主機(jī)速度進(jìn)行分段，速度每提高50r/min為一個(gè)區(qū)間。圖7為程序控制的流程圖。 4.3 人機(jī)界面的的設(shè)計(jì) 由于沖環(huán)機(jī)需要監(jiān)控的參數(shù)比較多，開發(fā)具有交互操作功能的圖形人機(jī)界面，可提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，方便維護(hù)和操作。選用具有觸摸操作功能的基于Windows CE系統(tǒng)的SIEMENS公司觸摸顯示屏（MP270B），采用SIEMENS公司的ProTool/Pro V6.0支持軟件開發(fā)圖形監(jiān)控畫面,然后下載至觸摸屏,進(jìn)行正常通訊設(shè)置即可。觸摸屏上設(shè)計(jì)了畫面顯示、參數(shù)設(shè)置、故障顯示、輔助操作、油路監(jiān)控等7個(gè)畫面,每個(gè)畫面監(jiān)控對(duì)象不同。 5 結(jié)束語(yǔ) HC30沖環(huán)機(jī)的電氣設(shè)計(jì)方案經(jīng)實(shí)踐證明是可行的。一些新控制技術(shù)如基于Windows CE操作系統(tǒng)的觸摸顯示屏、Windows CE系統(tǒng)是屬于目前流行的嵌入式操作系統(tǒng)。需要注意的是，在實(shí)踐中，要根據(jù)HC30沖環(huán)機(jī)具體工藝情況，特別強(qiáng)調(diào)主軸的停機(jī)角度和電氣復(fù)合制動(dòng)的有關(guān)參數(shù)，如直流制動(dòng)的力矩、制動(dòng)的時(shí)間等，要在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行整定，優(yōu)化參數(shù)組合，使電氣控制系統(tǒng)更準(zhǔn)確、可靠、穩(wěn)定。